ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК H02K19/06 H02K21/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.

Аналогом является, например, синхронная электрическая машина (а.с. №1580492, БИ №27, 1990), имеющая зубчатый магнитопровод статора и ротора, предназначенная для применения в электроприводах с низкими частотами вращения.

Наиболее близка к предлагаемой машине многофазная индукторная машина (пат. РФ №2037940, БИ №17, 1995), содержащая ротор из магнитопроводящего материала с зубцами на поверхности, проходящими в осевом направлении, и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос. Обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами. Число зубцов на роторе и на каждом кольцевом магнитопроводе статора одинаково. Угловое положение зубцов двух магнитопроводящих колец, расположенных по сторонам каждой из фаз совпадает, а угловое положение магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2 π/m радиан, где m - число фаз.

Предлагаемое изобретение позволит создать электродвигатель с повышенным моментом и мощностью на выходном валу машины, к.п.д., а также с меньшими массой и габаритами.

Это достигается тем, что на поверхности ротора по всей его длине размещаются постоянные магниты с чередующейся в тангенциальном направлении полярностью. Число зубцов на магнитопроводящих кольцах статора выполняется в два раза меньше числа полюсов ротора, а зубцы двух кольцевых магнитопроводов, между которыми размещена кольцевая обмотка одной фазы, смещены по угловой координате на угол, равный угловой ширине полюса ротора. Кольцевая обмотка каждой фазы разделена на две и более кольцевых секции, размещенных между соседними кольцевыми магнитопроводами, число кольцевых магнитопроводов фазы на единицу больше числа кольцевых секций фазы, при этом угловое положение зубцов на нечетных и четных кольцевых магнитопроводах данной фазы отличается на угол, равный угловой ширине полюса ротора. Пакеты продольных магнитопроводов, замыкающие магнитные потоки кольцевых магнитопроводов, разделены на число частей, равных числу фаз, и установлены так, чтобы каждый из пакетов продольных магнитопроводов соединял кольцевые магнитопроводы только одной фазы. Корпус двигателя выполнен из немагнитного материала.

Размещение на роторе постоянных магнитов и смещение зубцов кольцевых магнитопроводов одной фазы на угол, равный угловой ширине полюса ротора, повышает момент, мощность и к.п.д. машины, так как электрические машины с активным ротором имеют значительно лучшие удельные характеристики, чем индукторные. Разделение кольцевой обмотки каждой фазы на несколько секций, размещенных между кольцевыми магнитопроводами, число которых на единицу больше числа секций фазы, уменьшает магнитные потоки, проходящие в осевом направлении, и позволяет уменьшить сечение пакетов продольных магнитопроводов, а значит, снизить массу и габариты машины. Разделение пакетов продольных магнитопроводов, замыкающих магнитные потоки кольцевых магнитопроводов, на число частей, равных числу фаз, и выполнение корпуса двигателя из немагнитного материала позволяет уменьшить паразитные магнитные потоки двигателя, и, следовательно, повысить момент, мощность и к.п.д. электрической машины, а также уменьшить массу и габариты.

На фиг.1 показано осевое сечение предлагаемого двигателя. На фиг.2 и фиг.3 - несколько диаметральных сечений двигателя. На фиг.4 - осевое сечение двигателя с разделенными на секции фазами. На фиг.5 - часть осевого сечения двигателя с разделенными на секции фазами в увеличенном масштабе. На фиг.6 - осевое сечение двигателя с разделенными пакетами продольных магнитопроводов статора.

В изображенном на фиг.1 двигателе в корпусе 1 размещен стальной ротор 2, закрепленный на валу 3 и установленный в подшипниках 4. Магнитное поле ротора 2 создают постоянные магниты 5, намагниченные в радиальном направлении. Полярность постоянных магнитов 5 на поверхности ротора 2, показанная на фиг.1-3, чередуется по угловой координате, в приведенной для примера конструкции двигателя на роторе 2 размещены шесть постоянных магнитов 5. В корпусе 1 двигателя неподвижно установлен статор, состоящий из кольцевых магнитопроводов 6, 7, 8, 9, 10 и 11, набранных из отдельных пластин. Между парами кольцевых магнитопроводов 6-7, 8-9, 10-11 установлены три кольцевые обмотки 12, 13 и 14, являющиеся фазами статора. Для замыкания магнитных потоков, проходящих через кольцевые магнитопроводы 6, 7, 8, 9, 10 и 11, в корпусе 1 установлены пакеты магнитопроводов 15, набранные из пластин и проходящие в аксиальном направлении.

Кольцевые магнитопроводы 6, 7, 8, 9, 10 и 11 во внутренней полости имеют зубцы 16 (фиг.2 и 3), проходящие в аксиальном направлении. Угловая ширина зубцов 16 примерно равна угловой ширине полюса 5 ротора 2, а число зубцов 16 на каждом кольцевом магнитопроводе 6, 7, 8, 9, 10 и 11 в два раза меньше числа полюсов 5 ротора 2. Зубцы 16 в каждой из пар кольцевых магнитопроводов 6 и 7, 8 и 9, 10 и 11 смещены по угловой координате на угол, равный угловой ширине полюса 5. Пары кольцевых магнитопроводов 6 и 7, 8 и 9, 10 и 11, между которыми размещены кольцевые обмотки 12, 13 и 14, установлены в корпусе 1 так, что их зубцы смещены по углу друг относительно друга на угол 2 π/m эл.радиан. В приведенной конструкции число фаз m=3, и пары кольцевых магнитопроводов фаз смещены на треть полюсного деления.

Предлагаемая электрическая машина работает следующим образом. Пусть сначала подается ток условного положительного направления в обмотку 12, а обмотки 13 и 14 обесточены. Магнитный поток Ф (показан на фиг.1 и 2 пунктирными линиями), созданный обмоткой 12, будет проходить в радиальном направлении через кольцевой магнитопровод 6, затем в осевом направлении через пакеты магнитопроводов 15, снова в радиальном направлении через кольцевой магнитопровод 7 дважды пересечет воздушный зазор между ротором 2 и статором и замкнется через ротор. Пусть при положительном направлении тока в обмотке 12 зубцы 16 магнитопровода 6 будут иметь южную полярность, а зубцы 16 магнитопровода 7 - северную полярность. Тогда под действием электромагнитного момента ротор установится в положение, показанное на фиг.2, при котором магнитный поток ротора 2 и магнитный поток, созданный обмоткой 12, будут направлены согласно. При этом северные полюсы ротора 2 будут совпадать по углу с зубцами 16 кольцевого магнитопровода 6 (фиг.2,а), а южные полюсы ротора 2 совпадут с зубцами 16 кольцевого магнитопровода 7 (фиг.2,в). Расположение зубцов 16 других кольцевых магнитопроводов 8, 9, 10 и 11 в этом положении ротора 2 относительно полюсов 5 ротора 2 показано на фиг.3.

При выключенных обмотках 12 и 14 и подаче положительного тока в обмотку 13 магнитный поток второй фазы замыкается через кольцевые магнитопроводы 8 и 9, при этом зубцы 16 кольцевого магнитопровода 8 будут иметь южную полярность, а зубцы 16 магнитопровода 9 северную полярность. Возникнет электромагнитный момент, разворачивающий ротор 2 так, чтобы магнитные потоки обмотки 13 и ротора 2 совпали по направлению. Ротор 2 вынужден будет развернуться на угол 2 π/m эл. радиан против часовой стрелки. Северные полюсы ротора 2 будут совпадать по углу с зубцами 16 кольцевого магнитопровода 8, а южные полюсы ротора 2 совпадут с зубцами 16 кольцевого магнитопровода 9.

Если положительный ток будет протекать в обмотке 14, а обмотки 12 и 13 будут выключены, то магнитный поток будет проходить через кольцевые магнитопроводы 10 и 11, и ротор 2 развернется еще на угол 2 π/m эл. радиан против часовой стрелки.

Затем снова следует включить обмотку 12, ротор 2 развернется еще на один шаг и т.д. Для изменения направления вращения нужно изменить порядок коммутации фаз двигателя на обратный. В соответствии с приведенным выше описанием двигатель работает в шаговом режиме с поочередной коммутацией фаз. Для управления двигателем можно использовать и другие системы коммутации, например, с подачей на фазы разнополярных импульсов напряжения.

При подаче в обмотки синусоидальных токов, смещенных по фазе на 2 π/m, двигатель будет работать как синхронный - с равномерным вращением ротора и вала.

Если коммутировать фазы двигателя по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать как бесконтактный двигатель постоянного тока.

Предлагаемую электрическую машину можно использовать также и в режиме генератора.

В предлагаемой электрической машине изменение конструкции магнитопровода статора позволило установить на роторе постоянные магниты. Как известно, электрические машины с постоянными магнитами при одинаковых габаритах имеют больший момент, мощность и к.п.д., чем индукторные двигатели, так как ротор обладает собственным магнитным полем.

Массу и габариты предлагаемого двигателя можно уменьшить за счет уменьшения сечения пакетов продольного магнитопровода 15. На фиг.4 показано осевое сечение предлагаемой электрической машины, у которой каждая из фаз разделена на несколько секций (на фиг.4 каждая фаза разделена на три секции). На фиг.5 показан увеличенный фрагмент конструкции электрической машины, выделенный на фиг.4 пунктирной линией. Число кольцевых магнитопроводов одной фазы должно быть на единицу больше числа секций фазы. Например, первую фазу составляют секции 17, 18 и 19, расположенные между кольцевыми магнитопроводами 20, 21, 22 и 23. Секции фазы 17, 18 и 19 могут быть соединены параллельно или последовательно, но так, чтобы знак намагничивающих сил секций 17, 18 и 19 чередовался в осевом направлении. Направление намагничивающих сил секций 17, 18 и 19 показано на фиг.5 в выделенных кругах. Угловое положение зубцов 16 на четных 20 и 22 и нечетных 21 и 23 кольцевых магнитопроводах данной фазы отличается на угол, равный угловой ширине полюса ротора. То есть зубцы 16 кольцевых магнитопроводов 20 и 22 должны быть расположены также, как зубцы 16 кольцевого магнитопровода 6 (фиг.2,а), а зубцы 16 кольцевых магнитопроводов 21 и 23 должны быть расположены также, как зубцы 16 кольцевого магнитопровода 7 (фиг.2,в).

Обмотка и кольцевые магнитопроводы второй и третьей фаз выполнены аналогичным образом, при этом кольцевые магнитопроводы второй и третьей фаз смещены по углу относительно кольцевых магнитопроводов первой фазы на угол 2 π/m эл. радиан.

При включении первой фазы ее секции 17, 18 и 19 создают несколько магнитных потоков Ф (фиг.5), проходящие через кольцевые магнитопроводы 20, 21, 22 и 23 и пакеты магнитопроводов 15. Под действием электромагнитного момента ротор повернется в положение, в котором магнитные потоки фазы и постоянных магнитов ротора будут направлены согласно. При этом относительно зубцов 16 кольцевых магнитопроводов 20 и 22 ротор 2 будет расположен, как показано на фиг.2,а, а относительно зубцов 16 кольцевых магнитопроводов 21 и 23 ротор 2 будет расположен, как показано на фиг.2,в.

При переключении фаз двигателя, изображенного на фиг.5, двигатель будет работать аналогично двигателю, изображенному на фиг.1.

По сравнению с прототипом и двигателем, изображенным на фиг.1, в двигателе, изображенном на фиг.5, магнитный поток каждой фазы разделен на несколько потоков, число которых равно числу секций фаз, в данном примере на три потока. Поэтому магнитный поток, проходящий через любое поперечное сечение пакетов магнитопроводов 15, уменьшается в три раза. Значит, и сечение пакетов магнитопроводов 15 в предлагаемом двигателе по сравнению с прототипом можно уменьшить в число раз, равное числу секций фаз, уменьшив за счет этого массу и габариты двигателя.

В предлагаемой конструкции двигателя (фиг.1 и 4) при включении каждой фазы возникают паразитные магнитные потоки, уменьшающие момент двигателя. Например, в случае включения обмотки 12 двигателя, изображенного на фиг.1, и выключенных обмотках 13 и 14, магнитный поток, созданные обмоткой 12, будет проходить не только через кольцевой магнитопровод 7, но и другие кольцевые магнитопроводы 8, 9, 10 и 11, расположенные справа от обмотки 12 на фиг.1. Так как если пренебречь падением магнитного потенциала в магнитопроводе статора, то падение магнитного потенциала, созданного обмоткой 12 в зазоре между ротором 2 и кольцевыми магнитопроводами 7, 8, 9, 10 и 11, будет одинаковым. Для устранения паразитных магнитных потоков и повышения момента двигателя пакеты магнитопровода 15 следует разделить на число частей, равных числу фаз m так, чтобы каждый из пакетов магнитопроводов 24, 25 и 26 замыкал магнитный поток только одной фазы, как показано на фиг.6. При этом корпус 1 двигателя должен быть выполнен из немагнитного материала. Уменьшение паразитных магнитных потоков повысит момент и мощность предлагаемого двигателя.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам и электроприводу. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрическая машина содержит ротор из магнитопроводящего материала и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос, обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2 π/m эл. радиан, где m - число фаз, на роторе двигателя установлены постоянные магниты с полярностью, чередующейся в тангенциальном направлении, число зубцов на кольцевых магнитопроводах статора выполнено в два раза меньшим числа полюсов ротора, а зубцы кольцевых магнитопроводов, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора. Технический результат - увеличение момента и мощности на выходном валу, повышение к.п.д., а также снижение массы и габаритов. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая машина, содержащая ротор из магнитопроводящего материала и статор, у которого магнитопровод выполнен из магнитопроводящих колец и продольных замыкающих полос, обмотки якоря выполнены кольцевыми по числу фаз, распределенными в аксиальном направлении и размещенными между двумя соседними магнитопроводящими кольцами, при этом угловое положение зубцов магнитопроводящих колец различных фаз отличается на угол 2 π/m эл.рад., где m - число фаз, отличающаяся тем, что на роторе двигателя установлены постоянные магниты с полярностью, чередующейся в тангенциальном направлении, число зубцов на кольцевых магнитопроводах статора выполнено в два раза меньшим числа полюсов ротора, а зубцы кольцевых магнитопроводов, между которыми размещена кольцевая обмотка, смещены по углу на угол, равный угловой ширине полюса ротора.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая фаза разделена на несколько секций с различными знаками намагничивающей силы, расположенных между кольцевыми магнитопроводами, число которых на единицу больше числа секций фазы, при этом угловое положение зубцов на четных и нечетных кольцевых магнитопроводах данной фазы отличается на угол, равный угловой ширине полюса ротора.3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что пакеты продольных магнитопроводов, замыкающие магнитные потоки кольцевых магнитопроводов, разделены на число частей, равное числу фаз, и установлены так, чтобы каждый из пакетов продольных магнитопроводов соединял кольцевые магнитопроводы только одной фазы, а корпус двигателя выполнен из немагнитного материала.